Πρόοδος στην παραγωγή υδρογόνου με ηλεκτρόλυση και καταλύτες νικελίου

Πρόοδος στην παραγωγή υδρογόνου με ηλεκτρόλυση

Το υδρογόνο μπορεί να υποκαταστήσει ορισμένες χρήσεις ορυκτών καυσίμων. Εξετάζεται στις μεταφορές μέσω κυψελών καυσίμου και σε βιομηχανικές διεργασίες όπου ο άμεσος εξηλεκτρισμός είναι δύσκολος. Η κλιματική του αξία εξαρτάται όμως από τον τρόπο παραγωγής του.

Το υδρογόνο συνήθως παράγεται από άλλες ενώσεις. Το 2024 η παγκόσμια παραγωγή βασιζόταν κυρίως σε ορυκτά καύσιμα, όχι στην ηλεκτρόλυση. Η διάσπαση νερού με ηλεκτρισμό είναι μια επιλογή για παραγωγή χαμηλών εκπομπών όταν χρησιμοποιείται κατάλληλη ηλεκτρική ενέργεια.

Η ηλεκτρόλυση διασπά το νερό σε υδρογόνο και οξυγόνο. Η κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας, το κόστος του εξοπλισμού και οι καταλύτες επηρεάζουν την οικονομική της απόδοση. Ορισμένες τεχνολογίες χρησιμοποιούν ακριβά πολύτιμα μέταλλα, όπως η πλατίνα, ενώ άλλες βασίζονται ήδη σε νικέλιο.

Μια κορεατική ερευνητική ομάδα διερεύνησε πώς η νανοδομή του νικελίου μπορεί να διευκολύνει την απομάκρυνση των φυσαλίδων και να βελτιώσει την ηλεκτροκαταλυτική λειτουργία.

Νανοράβδοι νικελίου για καλύτερη απομάκρυνση φυσαλίδων

Η ομάδα του καθηγητή Jong Kyu Kim στο Τμήμα Επιστήμης και Μηχανικής Υλικών του POSTECH (Πανεπιστήμιο Ποχάνγκ, Κορέα) μελέτησε ένα πρόβλημα που περιορίζει τη λειτουργία των ηλεκτροδίων στην ηλεκτρόλυση.

Πηγή: POSTECH

Οι φυσαλίδες υδρογόνου μπορούν να παραμένουν στην επιφάνεια του ηλεκτροδίου, καλύπτοντας ενεργές θέσεις και εμποδίζοντας την επαφή με τον ηλεκτρολύτη. Η αποτελεσματική απομάκρυνσή τους μπορεί να μειώσει αυτές τις απώλειες.

Η ομάδα κατασκεύασε πορώδεις, τρισδιάστατες δομές από κεκλιμένες νανοράβδους νικελίου. Η γεωμετρία τους δημιουργεί επιφάνεια με έντονη «αεριοαπωθητικότητα», ώστε οι φυσαλίδες να αποκολλώνται ευκολότερα.

Έτσι απελευθερώνεται επιφάνεια για την επαφή με τον ηλεκτρολύτη και τη συνέχιση της αντίδρασης.

Πηγή: POSTECH

Σύμφωνα με την ανακοίνωση του POSTECH, η συγκεκριμένη δομή παρουσίασε περίπου 55πλάσια βελτίωση στην παραγωγή υδρογόνου σε σύγκριση με λεπτό υμένιο που περιείχε την ίδια ποσότητα νικελίου. Η σύγκριση αφορά τις συγκεκριμένες πειραματικές συνθήκες· δεν σημαίνει 55πλάσια ενεργειακή απόδοση ενός πλήρους βιομηχανικού συστήματος.

Προοπτικές πέρα από το νικέλιο

Η αρχή της διευκόλυνσης της απομάκρυνσης αερίου μέσω της γεωμετρίας της επιφάνειας μπορεί να ενδιαφέρει και άλλους καταλύτες. Η εφαρμογή της σε διαφορετικά υλικά απαιτεί ξεχωριστή δοκιμή και δεν είναι δεδομένη για κάθε καταλύτη.

Καλύτερη Ηλεκτρόλυση

Η βελτίωση της ηλεκτρόλυσης έχει σημασία επειδή η παραγωγή υδρογόνου από ορυκτά καύσιμα συνοδεύεται από εκπομπές. Το συνολικό αποτύπωμα πρέπει να αξιολογείται σε όλη την αλυσίδα παραγωγής.

Η ηλεκτρόλυση δεν γίνεται αυτομάτως κλιματικά ουδέτερη: αν ο ηλεκτρισμός προέρχεται από πηγές υψηλών εκπομπών, οι εκπομπές της παραγωγής του επηρεάζουν και το υδρογόνο.

Το «πράσινο υδρογόνο» συνήθως αναφέρεται στην ηλεκτρόλυση με ανανεώσιμη ηλεκτρική ενέργεια. Παραμένουν ωστόσο εκπομπές που σχετίζονται με την κατασκευή εξοπλισμού και άλλες διεργασίες.

Μείωση του κόστους μπορεί να βελτιώσει τη βιωσιμότητα συγκεκριμένων χρήσεων. Πρέπει να συνυπολογίζονται η αποθήκευση, η μεταφορά και η τελική μετατροπή ενέργειας.

Ο συνδυασμός της νανοδομής με άλλους καταλύτες, συμπεριλαμβανομένων καταλυτών πολύτιμων μετάλλων, είναι πιθανή κατεύθυνση έρευνας και όχι ήδη αποδεδειγμένο αποτέλεσμα της συγκεκριμένης μελέτης.

Σχετικές προσεγγίσεις εξετάζουν και συστήματα που περιέχουν ρουθήνιο, πυρίτιο και βολφράμιο (RuSiW), τα οποία παρουσιάσαμε στο άρθρο «Το Πράσινο Υδρογόνο Έρχεται να Αντικαταστήσει το Γκρι καθώς οι Νέοι Ηλεκτροκαταλύτες Καθιστούν την Παραγωγή Οικονομικά Αποδοτική».

Καλύτερη Αλυσίδα Εφοδιασμού Υδρογόνου

Η αλυσίδα υδρογόνου περιλαμβάνει περισσότερα από το στάδιο παραγωγής.

Η αποθήκευση, η μεταφορά και η χρήση σε κυψέλες καυσίμου επηρεάζουν το συνολικό κόστος και την ενεργειακή απόδοση.

Καλύτερες κυψέλες καυσίμου μπορούν να διευρύνουν ορισμένες εφαρμογές στις μεταφορές. Η σύγκριση με οχήματα μπαταρίας εξαρτάται από την αποστολή και την υποδομή. Το θέμα εξετάζεται στο άρθρο «Είναι οι μπαταρίες μόνο ένα ενδιάμεσο στάδιο πριν από τις κυψέλες καυσίμου υδρογόνου; Η επόμενη γενιά ηλεκτρικών οχημάτων;».

Η βελτίωση της αποθήκευσης μπορεί επίσης να διευκολύνει τη διαχείριση και τη διανομή. Σχετική συζήτηση υπάρχει στο άρθρο «Μια πρόοδος στην αποθήκευση κάνει το υδρογόνο πιο ελκυστικό ως ενεργειακό φορέα».

Πιθανές Άλλες Εφαρμογές

Οι επιφάνειες που διευκολύνουν την απομάκρυνση φυσαλίδων μπορεί να ενδιαφέρουν και άλλες χημικές διεργασίες.

Πιθανές εφαρμογές πρέπει να εξεταστούν με βάση τις αντιδράσεις, τα υλικά και τις συνθήκες κάθε συστήματος.

Φθηνότερο υδρογόνο μπορεί να μειώσει μέρος του κόστους παραγωγής αμμωνίας, χωρίς να κάνει αυτόματα εξίσου αποδοτική όλη τη διαδικασία. Η αμμωνία εξετάζεται ως ναυτιλιακό καύσιμο, αλλά απαιτεί διαχείριση τοξικότητας και εκπομπών. Σχετικό άρθρο: «Αποανθρακοποίηση των Παγκόσμιων Διαδρομών Ναυτιλίας μέσω Πράσινης Αμμωνίας».

Ο καθηγητής Jong Kyu Kim ανέφερε επίσης προοπτικές για άλλες επιφανειακές αντιδράσεις.

Η ομάδα συνδέει τη βελτίωση της ηλεκτρόλυσης με τη δυνατότητα ευρύτερης χρήσης υδρογόνου χαμηλών εκπομπών.

Στην ανακοίνωση αναφέρονται ως πιθανές κατευθύνσεις η ηλεκτροχημική αναγωγή διοξειδίου του άνθρακα και τα συστήματα μετατροπής φωτεινής ενέργειας. Πρόκειται για προοπτικές εφαρμογής, όχι για αποτελέσματα που αποδείχθηκαν σε όλα αυτά τα πεδία.

Η αναγωγή διοξειδίου του άνθρακα πρέπει να διακρίνεται από τη δέσμευσή του. Οι δύο διεργασίες μπορεί να συνδέονται, αλλά δεν είναι ταυτόσημες. Για συναφή έρευνα βλ. «Τεχνητή Φωτοσύνθεση και Βιοδιασπασιμότητα: Αντιμετώπιση της Απειλής των Πλαστικών με Βιωσιμότητα στο Μυαλό».

Εταιρείες Λύσεων Υδρογόνου

1. Aker Horizons ASA

Οι εξελίξεις στους καταλύτες μπορούν να επηρεάσουν διαφορετικά στάδια της αγοράς υδρογόνου. Οι ακόλουθες εταιρικές περιγραφές αφορούν το πλαίσιο της αρχικής ανάλυσης του 2024.

Η σύνδεση μιας εταιρείας με τον κλάδο δεν αποδεικνύει ότι έχει υιοθετήσει τους συγκεκριμένους νανοκαταλύτες ή ότι θα ωφεληθεί οικονομικά από αυτούς.

Το 2024 η Aker Horizons, εταιρεία του ομίλου Aker, διαχειριζόταν συμμετοχές και έργα σε ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, δέσμευση άνθρακα και υδρογόνο. Το χαρτοφυλάκιο και η δομή της πρέπει να διακρίνονται από τα ευρύτερα έργα ολόκληρου του ομίλου Aker.

Πηγή: Aker

Στο χαρτοφυλάκιο ανάπτυξης περιλαμβάνονταν σχέδια για πράσινο υδρογόνο και αμμωνία στη Νορβηγία, με πιθανές χρήσεις και στη ναυτιλία.

Η σύνδεση ανανεώσιμης παραγωγής ηλεκτρισμού με υδρογόνο και αμμωνία αποτελεί επιχειρηματική κατεύθυνση. Δεν σημαίνει ότι κάθε προγραμματισμένη μονάδα λειτουργούσε ήδη ή ότι είχε επιτευχθεί πλήρης καθετοποίηση.

Οι επιμέρους δραστηριότητες δέσμευσης άνθρακα και ενέργειας εξαρτώνται από τη θυγατρική, το έργο και τον χρόνο αναφοράς. Ένα έργο του ευρύτερου ομίλου δεν πρέπει να αποδίδεται αυτόματα στην Aker Horizons.

Η έκθεση σε πολλούς κλάδους και γεωγραφικές περιοχές μπορεί να διαφοροποιεί επιχειρηματικούς κινδύνους, αλλά δεν εγγυάται απόδοση ή καταλληλότητα της μετοχής για κάθε επενδυτή.

2.  Ballard Power Systems Inc.

Οι μελλοντικές αγορές υδρογόνου παραμένουν αβέβαιες. Υπάρχει ενδιαφέρον για βαριές μεταφορές και βιομηχανικές χρήσεις που είναι δύσκολο να εξηλεκτριστούν απευθείας.

Η Ballard είναι κατασκευάστρια κυψέλων καυσίμου και πρωτοπόρος της τεχνολογίας με το πρώτο της λεωφορείο κυψέλης καυσίμου το 1993.

Η Ballard δραστηριοποιείται σε κυψέλες καυσίμου για λεωφορεία, φορτηγά, σιδηροδρομικά και θαλάσσια μέσα, καθώς και σταθερές εφαρμογές. Οι αρχικές προβλέψεις για τη σύνθεση πωλήσεων του 2025 και τα περιφερειακά ποσοστά ήταν προσδοκίες, όχι επιβεβαιωμένα μελλοντικά αποτελέσματα.

Οι προβλέψεις μεγέθους αγοράς για το 2030 εξαρτώνται από την υιοθέτηση, την υποδομή και το κόστος. Τα ποσά που αναφέρει το αρχικό κείμενο δεν πρέπει να αντιμετωπίζονται ως βέβαια έσοδα της Ballard.

Αυτή η ανάπτυξη θα μπορούσε να επιταχυνθεί εάν οι τιμές παραγωγής υδρογόνου μειωθούν χάρη σε νέες τεχνολογίες όπως η βελτιωμένη και φθηνότερη ηλεκτρόλυση.

Πηγή: Ballard

Ο γρήγορος ανεφοδιασμός και η ενεργειακή πυκνότητα μπορεί να έχουν σημασία σε ορισμένες βαριές μεταφορές. Η καταλληλότητα έναντι μπαταριών ή εναέριων ηλεκτρικών γραμμών εξαρτάται από τη διαδρομή και την υποδομή.

Πηγή: Ballard

Η Ballard έχει επίσης συνάψει σύμβαση με Amogy για την παροχή κυψελών καυσίμου σε σύστημα που μετατρέπει την αμμωνία σε υδρογόνο και στη συνέχεια σε ηλεκτρική ενέργεια. Οι κυψέλες δεν χρησιμοποιούν απευθείας αμμωνία με τον ίδιο τρόπο όπως το υδρογόνο.

Τα οχήματα μπαταρίας και οι κυψέλες καυσίμου εξυπηρετούν διαφορετικές απαιτήσεις. Καμία λύση δεν είναι αυτομάτως η βέλτιστη για όλες τις βαριές μεταφορές.

Μείωση του κόστους παραγωγής υδρογόνου μπορεί να υποστηρίξει τη ζήτηση για κυψέλες καυσίμου. Η οικονομική επίδραση στη Ballard παραμένει εξαρτημένη από την ανταγωνιστικότητα, τις παραγγελίες, την υποδομή και την εκτέλεση της στρατηγικής της.